水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

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【摘要】水下設(shè)施常承受海洋波浪、海流等復(fù)雜環(huán)境因素影響，尤其水下機(jī)械結(jié)構(gòu)所承受的阻尼力對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及穩(wěn)定運(yùn)行均產(chǎn)生重要影響。本文設(shè)計(jì)了一種水下機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵阻尼參數(shù)測(cè)試裝置，并使用該測(cè)試裝置對(duì)水下機(jī)械結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試探討，為水下機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究提供了參考方法和手段。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械結(jié)構(gòu)；阻尼；測(cè)試裝置

1引言

隨著海洋油氣開發(fā)逐步進(jìn)入深水，水下設(shè)施尤其水下機(jī)械結(jié)構(gòu)在深水海洋開發(fā)中扮演著越來越重要的角色。水下機(jī)械結(jié)構(gòu)具有布置靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、可重復(fù)使用、成本較小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于反復(fù)承受海洋波流等復(fù)雜環(huán)境荷載，水下機(jī)械結(jié)構(gòu)所承受的阻尼力對(duì)其力學(xué)性能及穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。本文通過對(duì)水下阻尼力分析方法進(jìn)行理論研究，并開發(fā)出一種水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試裝置，為水下機(jī)械結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)提供了依據(jù)和參考。

2流體力學(xué)基本理論及水下阻尼力分析方法

2.1流體力學(xué)基本理論

流體運(yùn)動(dòng)應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律3大定律。在流體力學(xué)理論中體現(xiàn)為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。我們一般把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體。海洋工程中，水下機(jī)械結(jié)構(gòu)所承受的海洋環(huán)境通常作為不可壓縮流體進(jìn)行考慮。黏性是流體抵抗剪切變形的一種屬性。不同的流體在相同的剪切力作用下其變形速度是不同的，即流體的黏性不同。自然界中的通常的流動(dòng)狀態(tài)主要有兩種形式，即層流與湍流。層流是指流體在流動(dòng)過程中流體運(yùn)動(dòng)較為規(guī)則，流體層間沒有相互摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線光滑，且流場(chǎng)穩(wěn)定；而湍流的特征則不同，流體層間運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，各部分激烈摻混。一般而言，海洋工程中海床邊界層、海面邊界層范圍內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)情況十分復(fù)雜，湍流較為普遍。而其他水深范圍內(nèi)通常可認(rèn)為是層流運(yùn)動(dòng)。

2.2水下阻尼力分析方法

海洋工程中，結(jié)構(gòu)物的阻力一般由兩部分組成：①由于流體的黏性在物體表面上作用著切向應(yīng)力，由此切向應(yīng)力所形成的摩擦阻力；②由于邊界層分離，物體前后形成壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的壓差阻力。摩擦阻力和壓差阻力之和統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)物所受阻尼力。學(xué)術(shù)界研究及工程經(jīng)驗(yàn)得出，結(jié)構(gòu)物阻力與來流的動(dòng)壓、結(jié)構(gòu)物在垂直于來流方向的截面積A成正比，即單位長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)物所受到的阻尼力為D=1/2ρU2dCD，CD為阻力系數(shù)。

3水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試裝置開發(fā)及測(cè)試方法

3.1水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試裝置開發(fā)

水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼力的測(cè)試需要對(duì)海洋流速U及機(jī)械結(jié)構(gòu)在波流沖擊下所受阻尼力進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，考慮不同流速、不同角度下海流對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊作用。考慮在靜止流體中模擬運(yùn)動(dòng)情況，即通過控制機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物在海洋環(huán)境中的模擬。考慮設(shè)計(jì)一套承載系統(tǒng)來對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)物進(jìn)行固定。為了實(shí)現(xiàn)不同角度模擬，進(jìn)行變角度設(shè)計(jì)。同時(shí)，考慮不同流速的模擬，進(jìn)行可連續(xù)調(diào)速的動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼實(shí)驗(yàn)需要對(duì)結(jié)構(gòu)物與海水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)械結(jié)構(gòu)物所承受的阻尼力進(jìn)行測(cè)試，因此進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。水下機(jī)械結(jié)構(gòu)物承載系統(tǒng)包括承載懸臂、角度調(diào)節(jié)器、運(yùn)動(dòng)模塊、觸發(fā)裝置等部件。可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)械結(jié)構(gòu)與海流之間0、30、60、90等不同夾角的阻尼力試驗(yàn)?zāi)M，承載系統(tǒng)采用可拆卸架式結(jié)構(gòu)，在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，兼具質(zhì)輕，利于測(cè)試，誤差小等優(yōu)點(diǎn)。傳動(dòng)裝置系統(tǒng)由變速電機(jī)、變頻器提供系統(tǒng)動(dòng)力，包括傳動(dòng)輪、傳動(dòng)鏈、限位裝置、觸發(fā)結(jié)構(gòu)等組成結(jié)構(gòu)。水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)適用于0~200m水深、水下機(jī)械結(jié)構(gòu)物0.5~40m尺度范圍、海流速度0.5~10節(jié)范圍的原型模擬。

3.2水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試方法

通過對(duì)原型的簡(jiǎn)化模擬，可分析出承載懸臂勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸臂受到水下機(jī)械結(jié)構(gòu)作用的水平力，考慮水下機(jī)械結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)速度恒定，此水平力與水下機(jī)械結(jié)構(gòu)所受到的阻尼力相等，因此所測(cè)出的承載懸臂上水下機(jī)械結(jié)構(gòu)的水平力即為阻尼力。阻尼力測(cè)試方法采用應(yīng)變測(cè)試法，通過應(yīng)變計(jì)的設(shè)計(jì)與信號(hào)采集，得出應(yīng)力及應(yīng)變參數(shù)，從而通過計(jì)算得到阻尼力。海流流速模擬測(cè)試方法通過使用光電編碼器在試驗(yàn)中采集承載系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)-時(shí)間信號(hào)，從而測(cè)試得出海流流速，此方法測(cè)試精度可達(dá)0.001m/s。

4實(shí)例分析

以南海某海域海上油田工程項(xiàng)目中所使用的20m長(zhǎng)水下拋砂機(jī)械導(dǎo)管為例，進(jìn)行水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試分析，數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試試驗(yàn)相似比為1：100.由σ=Eε，εmax=M/WZ其中，WZ=IZ/ymax對(duì)矩形截面（高h(yuǎn)，寬b），WZ=bh2/6=1.33×10-6m3，M=Fd×LF，F(xiàn)d為阻力，LF=0.4m為機(jī)械導(dǎo)管中心與應(yīng)變計(jì)的距離。懸臂為鋁材質(zhì)，E=68GPa，G=26GPa（見表2）。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，經(jīng)過與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，該試驗(yàn)結(jié)果誤差率約3.2~9.8%，模型試驗(yàn)方法及測(cè)試結(jié)果較為可靠。

5結(jié)論

本文對(duì)水下機(jī)械結(jié)構(gòu)的阻尼分析方法進(jìn)行了探討，并開發(fā)了一種水下機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵阻尼參數(shù)的測(cè)試裝置，為水下機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究提供了參考方法；該水下機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試裝置測(cè)試精度可靠，通過與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比對(duì)，誤差率小于10%，可為今后深水海洋工程中水下機(jī)械結(jié)構(gòu)抗阻尼設(shè)計(jì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]周光炯.流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

作者:伊鋒 雷震名 高釩銘 單位:.中海石油（中國）有限公司天津分公司 海洋石油工程股份有限公司 天津俊昊海洋工程有限公司